EP0982544A1 - Brenneranordnung für eine Gasturbine - Google Patents

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EP0982544A1
EP0982544A1 EP98810851A EP98810851A EP0982544A1 EP 0982544 A1 EP0982544 A1 EP 0982544A1 EP 98810851 A EP98810851 A EP 98810851A EP 98810851 A EP98810851 A EP 98810851A EP 0982544 A1 EP0982544 A1 EP 0982544A1
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burner
housing
wall
burner arrangement
partition plate
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Jochem Fischer
Jakob Prof. Dr. Keller
Ulf Christian Müller
Frank Reiss
Pirmin Schiessel
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General Electric Switzerland GmbH
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ABB Schweiz AG
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/02—Disposition of air supply not passing through burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M9/00—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields
    • F23M9/02—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in air inlets

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbine technology.
  • she relates to a burner arrangement for a gas turbine, which burner arrangement comprises an interior enclosed by a housing, in which interior at least one burner is arranged, and in which interior by at least two nozzle openings against the flow direction of the burner and along the inner wall of the housing a jet of a gaseous one Medium, especially air, is injected, which rays through the inner wall led from opposite directions to meet and to a secondary flow flowing perpendicularly from the inner wall.
  • Such a burner arrangement is e.g. from the publication EP-A2-0 692 675 (see e.g. FIG. 1 there).
  • the speed of the beams 15, 16 goes to zero. Because the wall flow lines of the two beams 15 and 16 meet at the stagnation point 18, the total pressures of jets 15 and 16 must also match there. Because the friction on the boundary wall 12 typically does not become one leads to rapid change in the total pressure, the point of impact 18 becomes regular close to one of the two nozzle openings 13, 14, which the Generate rays 13, 14. In extreme cases, even one of the beams 15, 16 can Block the nozzle opening that is to generate the other jet. Even in the Cases in which the total pressures of the two jets are almost the same give way the position of the point of impact usually strongly depends on the plane of symmetry runs between the two nozzle openings.
  • the Burner 21 (in this case a double cone burner of known design) is in one Symmetry plane 19 housed lying in a housing 23.
  • the burner 21 opens to the left into a combustion chamber 33; from the right it is over a Fuel supply 32 supplied with fuel.
  • Between the combustion chamber 33 and the housing 23 has nozzle openings 24 and 25 at the top and bottom, through which combustion air (from the compressor of the gas turbine) in shape of jets 26, 27 are injected into the interior 22 enclosed by the housing 23 becomes.
  • the rays 26, 27 flow on the inner wall 23a of the housing 23 along towards each other and unite into one after the meeting Secondary flow 28, which flows towards the burner 21 and laterally into the burner 21 entry.
  • the point of impact and thus the Secondary flow usually on a changing, not predictable Point outside the plane of symmetry, which is characterized by geometric disturbances in the arrangement and pressure fluctuations can change quickly.
  • the smooth operation of the burner 21 under stable burning conditions significantly affected.
  • the object is achieved in a burner arrangement of the type mentioned solved that to determine the point of impact of the rays in the Flow path of the jets arranged, essentially perpendicular to the inner wall standing partition plate is provided.
  • the two rays hit from both Sides on the fixed partition plate and are parallel to the partition plate diverted into the interior, where it forms a secondary flow behind the partition plate unite, which flows parallel to the partition plate.
  • the secondary flow can vary Place the housing and be generated with different directions.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that that the burner is arranged within the housing in a plane of symmetry is that the nozzle openings are arranged symmetrically to the plane of symmetry are, and that the partition plate lies in the plane of symmetry.
  • FIG. 3 Embodiment of the burner assembly according to the invention reproduced.
  • the same parts of the arrangement are provided with the same reference numerals as in Fig. 2.
  • Essential for the invention is the insertion of a partition plate 29 in the burner assembly.
  • the separating plate 20 lies in the exemplary embodiment in FIG. 3 in the plane of symmetry 19 and can therefore only be seen from the side.
  • the partition plate 29 is perpendicular to the inner wall 23a of the housing 23 and is on this Place preferably fixed to the inner wall 23a, e.g. welded on or screwed on.
  • the partition plate 29 can be directly on the inner wall without difficulty 23a of the housing 23 are attached.
  • the access opening 31 can be closed by a corresponding (disk-shaped) cover is, the partition plate 29 can advantageously on the inside of the cover 30 are arranged and attached.

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Abstract

Eine Brenneranordnung (20) für eine Gasturbine umfasst einen von einem Gehäuse (23) umschlossenen Innenraum (22), in welchem wenigstens ein Brenner (21) angeordnet ist, und in welchen durch wenigstens zwei Düsenöffnungen (24, 25) entgegen der Strömungsrichtung des Brenners (21) und entlang der Innenwand (23a) des Gehäuses (23) jeweils ein Strahl (26, 27) eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, eingedüst wird, welche Strahlen (26, 27) durch die Innenwand (23a) geführt aus entgegengesetzten Richtungen aufeinandertreffen und sich zu einer senkrecht von der Innenwand (23a) abströmenden Sekundärströmung (28) vereinigen. Bei einer solchen Brenneranordnung wird eine Stabilisierung und Vergleichmässigung der Strömung dadurch erreicht, dass zur Festlegung des Auftreffpunktes der Strahlen (26, 27) eine im Strömungsweg der Strahlen (26, 27) angeordnete, im wesentlichen senkrecht zur Innenwand (23a) stehenden Trennplatte (29) vorgesehen ist. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft eine Brenneranordnung für eine Gasturbine, welche Brenneranordnung einen von einem Gehäuse umschlossenen Innenraum umfasst, in welchem Innenraum wenigstens ein Brenner angeordnet ist, und in welchen Innenraum durch wenigstens zwei Düsenöffnungen entgegen der Strömungsrichtung des Brenners und entlang der Innenwand des Gehäuses jeweils ein Strahl eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, eingedüst wird, welche Strahlen durch die Innenwand geführt aus entgegengesetzten Richtungen aufeinandertreffen und sich zu einer senkrecht von der Innenwand abströmenden Sekundärströmung vereinigen.
Eine solche Brenneranordnung ist z.B. aus der Druckschrift EP-A2-0 692 675 (siehe z.B. die dortige Fig. 1) bekannt.
STAND DER TECHNIK
In der eingangs genannten Druckschrift ist (z.B. in der dortigen Fig. 1) ein Doppelkegelbrenner einer Gasturbine dargestellt, dem über eine Brennstofflanze Brennstoff zugeführt wird. Der Brenner ist im Innenraum eines haubenartigen Gehäuses untergebracht. In das Gehäuse strömt entgegen der Strömungsrichtung des Brenners oberhalb und unterhalb des Brenners Hauptbrennerluft ein, wird von der Innenwand des Gehäuses umgelenkt und tritt dann in den Brenner ein, um dort mit dem Brennstoff vermischt zu werden.
Eine solche Strömung in einem Gehäuse, welche durch das Aufeinandertreffen zweier oder mehrerer aus entsprechenden Düsenöffnungen in das Gehäuse eintretenden Strahlen (Jets) entsteht, ist im Allgemeinen ausserordentlich empfindlich gegenüber Schwankungen des Gesamtdrucks der Strahlen. Dies kann anhand der Fig. 1 verdeutlicht werden. In der Strömungsanordnung 10 nach Fig. 1 werden in einen Innenraum 11, der von einer (in diesem Beispiel halbkreisförmig gebogenen) Begrenzungswand 12 begrenzt wird, auf zwei gegenüberliegenden Seiten durch entsprechende Düsenöffnungen 13, 14 zwei Strahlen 15, 16 eingedüst, die - durch die Begrenzungswand 12 geführt - an einem Auftreffpunkt 18 aufeinandertreffen und sich dort zu einer Sekundärströmung 17 vereinigen, die senkrecht zur Begrenzungswand ins Innere des Innenraums 11 gerichtet ist.
Am Auftreffpunkt 18 geht die Geschwindigkeit der Strahlen 15, 16 auf Null. Weil die Wandstromlinien der beiden Strahlen 15 und 16 im Staupunkt 18 zusammentreffen, müssen dort auch die Gesamtdrücke der Strahlen 15 und 16 übereinstimmen. Da die Reibung an der Begrenzungswand 12 typischerweise nicht zu einer schnellen Aenderung des Gesamtdruckes führt, wird der Auftreffpunkt 18 regelmässig in der Nähe einer der beiden Düsenöffnungen 13, 14 liegen, welche die Strahlen 13, 14 erzeugen. Im Extremfall kann sogar einer der Strahlen 15, 16 die Düsenöffnung blockieren, die den anderen Strahl erzeugen soll. Selbst in den Fällen, in denen die Gesamtdrücke der beiden Strahlen nahezu gleich sind, weicht die Lage des Auftreffpunktes üblicherweise stark von der Symmetrieebene ab, die zwischen den beiden Düsenöffnungen verläuft.
Diese Instabilität und Unbestimmtheit derartiger Gehäuseströmungen wirkt sich auch bei einer Brenneranordnung 20 aus, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Der Brenner 21 (in diesem Fall ein Doppelkegelbrenner bekannter Bauart) ist in einer Symmetrieebene 19 liegend in einem Gehäuse 23 untergebracht. Der Brenner 21 öffnet sich nach links in eine Brennkammer 33; von rechts wird er über eine Brennstoffzufuhr 32 mit Brennstoff versorgt. Zwischen der Brennkammer 33 und dem Gehäuse 23 sind oben und unten Düsenöffnungen 24 und 25 ausgebildet, durch welche Verbrennungsluft (aus dem Kompressor der Gasturbine) in Form von Strahlen 26, 27 in den von Gehäuse 23 umschlossenen Innenraum 22 eingedüst wird. Die Strahlen 26, 27 strömen an der Innenwand 23a des Gehäuses 23 entlang aufeinander zu und vereinigen sich nach dem Aufeinandertreffen zu einer Sekundärströmung 28, die zum Brenner 21 hin strömt und in den Brenner 21 seitlich eintritt. Wie in Fig. 2 angedeutet, liegt der Auftreffpunkt und damit auch die Sekundärströmung in der Regel an einem wechselnden, nicht vorherbestimmbaren Punkt ausserhalb der Symmetrieebene, der sich durch geometrische Störungen in der Anordnung und Druckschwankungen schnell ändern kann. Hierdurch wird der gleichmässige Betrieb des Brenners 21 unter stabilen Brennbedingungen erheblich beeinträchtigt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brenneranordnung zu schaffen, bei der sich stabile, von geometrischen Abweichungen und Druckschwankungen im wesentlichen unbeeinflusste Strömungsverhältnisse der eingedüsten Verbrennungsluft einstellen.
Die Aufgabe wird bei einer Brenneranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zur Festlegung des Auftreffpunktes der Strahlen eine im Strmungsweg der Strahlen angeordnete, im wesentlichen senkrecht zur Innenwand stehenden Trennplatte vorgesehen ist. Die beiden Strahlen treffen von beiden Seiten auf die fest montierte Trennplatte auf und werden parallel zur Trennplatte in den Innenraum umgelenkt, wo sie sich hinter der Trennplatte zu einer Sekundärströmung vereinigen, die parallel zur Trennplatte strömt.
Je nach Anordnung der Trennplatte kann die Sekundärströmung an unterschiedlichen Stellen des Gehäuses und mit unterschiedlichen Richtungen erzeugt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner innerhalb des Gehäuses in einer Symmetrieebene angeordnet ist, dass die Düsenöffnungen symmetrisch zu der Symmetrieebene angeordnet sind, und dass die Trennplatte in der Symmetrieebene liegt.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1
In einer schematischen Darstellung eine prinzipielle Strömungsanordnung mit zwei Wandgeführten, in einem Auftreffpunkt aufeinandertreffenden Strömungen;
Fig. 2
eine schematische Darstellung einer Brenneranordnung mit innerhalb eines Gehäuses geführten Strahlen (Jets) von Verbrennungsluft nach dem Stand der Technik;
Fig. 3
ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brenneranordnung nach der Erfindung mit einer direkt am Gehäuse befestigten Trennplatte; und
Fig. 4A,B
ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brenneranordnung nach der Erfindung mit einem auswechselbaren Brenner in Seitenansicht (Fig. 4A), bei welcher Brenneranordnung die Trennplatte an einer Abdeckung einer Zugangsöffnung für den Brenner befestigt ist (Draufsicht auf die Abdeckung mit der Trennplatte in Fig. 4B).
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend von der Darstellung aus Fig. 2 ist in Fig. 3 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Brenneranordnung nach der Erfindung wiedergegeben. Gleiche Teile der Anordnung sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 2. Wesentlich für die Erfindung ist das Einfügen einer Trennplatte 29 in die Brenneranordnung. Die Trennplatte 20 liegt im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 in der Symmetrieebene 19 und ist daher nur von der Seite zu sehen. Die Trennplatte 29 steht senkrecht auf der Innenwand 23a des Gehäuses 23 und ist an dieser Stelle vorzugsweise fest an der Innenwand 23a montiert, z.B. angeschweisst oder angeschraubt. Sie steht gleichzeitig senkrecht zu den an dieser Stelle von beiden Seiten auf die Trennplatte 29 auftreffenden Strahlen 26 und 27. Durch die Wirkung der Trennplatte 29 bilden sich an dem durch die Trennplatte 29 definierten Ort zwei Teilströmungen 28a und 28b, die an der Trennplatte 29 entlang in das Innere des Innenraumes 22 strömen und sich am Ende der Trennplatte 29 zu einer Sekundärströmung 28 vereinigen. Durch die erfindungsgemässe Trennplatte 29 wird so an einer definierten Stelle des Gehäuses 23, insbesondere in der Symmetrieebene 19, eine Sekundärströmung definierter Richtung erzeugt, die auf den Brenner 21 symmetrisch von hinten auftrifft und auch bei Aenderungen der übrigen Geometrie oder der Drücke ihre Konfiguration im wesentlichen beibehält. Auf diese Weise werden sehr stabile Verhältnisse beim Betrieb des Brenners erreicht.
Wenn - wie dies in Fig. 3 vorausgesetzt ist - ein Brenner 21 fest in das Gehäuse 23 eingebaut ist, kann die Trennplatte 29 ohne Schwierigkeiten direkt an der Innenwand 23a des Gehäuses 23 befestigt werden. Wenn beispielsweise mehrere Brenner nebeneinander auswechselbar in dem Gehäuse 23 angeordnet sind, und diese Brenner 21 gemäss Fig. 4A und B durch eine Zugangsöffnung 31 im Gehäuse 23 einschiebbar bzw. herausziehbar ausgebildet sind, wobei die Zugangsöffnung 31 durch eine entsprechende (scheibenförmige) Abdeckung verschliessbar ist, kann die Trennplatte 29 mit Vorteil an der Innenseite der Abdeckung 30 angeordnet und befestigt werden.
Die Wirkung derartiger Trennplatten bei der Stabilisierung und Vergleichmässigung der Verbrennungsluftströmung konnte experimentell bei Gasturbinen der Anmelderin vom Typ GT13E2 bestätigt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
10
Strömungsanordnung
11
Innenraum
12
Begrenzungswand
13,14
Düsenöffnung
15,16
Strahl
17
Sekundärströmung
18
Auftreffpunkt
19
Symmetrieebene
20
Brenneranordnung
21
Brenner
22
Innenraum
23
Gehäuse
23a
Innenwand (Gehäuse)
24,25
Düsenöffnung
26,27
Strahl
28
Sekundärströmung
28a,b
Teilströmung
29
Trennplatte
30
Abdeckung
31
Zugangsöffnung
32
Brennstoffzufuhr
33
Brennkammer

Claims (6)

  1. Brenneranordnung (20) für eine Gasturbine, welche Brenneranordnung (20) einen von einem Gehäuse (23) umschlossenen Innenraum (22) umfasst, in welchem Innenraum (22) wenigstens ein Brenner (21) angeordnet ist, und in welchen Innenraum (22) durch wenigstens zwei Düsenöffnungen (24, 25) entgegen der Strömungsrichtung des Brenners (21) und entlang der Innenwand (23a) des Gehäuses (23) jeweils ein Strahl (26, 27) eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, eingedüst wird, welche Strahlen (26, 27) durch die Innenwand (23a) geführt aus entgegengesetzten Richtungen aufeinandertreffen und sich zu einer senkrecht oder quasi-senkrecht von der Innenwand (23a) abströmenden Sekundärströmung (28) vereinigen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Festlegung des Auftreffpunktes der Strahlen (26, 27) eine im Strömungsweg der Strahlen (26, 27) angeordnete, im wesentlichen senkrecht zur Innenwand (23a) stehenden Trennplatte (29) vorgesehen ist.
  2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (21) innerhalb des Gehäuses (23) in einer Symmetrieebene (19) angeordnet ist, dass die Düsenöffnungen (24, 25) symmetrisch zu der Symmetrieebene (19) angeordnet sind, und dass die Trennplatte (29) in der Symmetrieebene (19) liegt.
  3. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennplatte (29) direkt am Gehäuse (23) befestigt ist.
  4. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (21) innerhalb des Gehäuses (23) auswechselbar ausgebildet ist, dass im Gehäuse (23) eine Zugangsöffnung (31) zum Herausziehen bzw. Hineinstecken des Brenners (21) vorgesehen ist, welche Zugangsöffnung (31) durch eine Abdeckung (30) verschliessbar ist, und dass die Trennplatte (29) an der Abdeckung (30) befestigt ist.
  5. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinandertreffenden Strahlen (26, 27) radial oder quasi-radial von der Innenwand (23a) die Sekundärströmung (28) bilden.
  6. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stehende Trennplatte (29) radial oder quasi-radial verläuft.
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